干式空心电抗器噪声测量的干扰研究_陈硕.pdf

干式空心电抗器噪声测量的干扰研究陈硕1，田杰1，梁兆杰1，树婷2，高璐2（1.深圳供电局有限公司，广州 深圳518000；2.西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室，西安710049）摘要：一般认为，干式空心电抗器的噪声频谱为谐波电流各频率之间的差频、合频及每个谐波的二倍频，然后实际测试得到的噪声频谱与目前理论分析的结果并不一致。文中以一台小型的干式空心电抗器为例，对噪声测量过程中的干扰现象进行了研究，并结合电磁感应理论对干扰的来源进行了解释和分析。研究结果表明，干式空心电抗器在加载单频的激励电流时，利用传声器测得的噪声频谱中除了电流频率二倍频的噪声分量外，还会出现多个电流整数倍频率的干扰分量。其中单倍频的干扰分量来源于磁场对传声器的影响，其幅值和加载电流成正比；多倍频的干扰分量来源于传声器薄膜振动和磁场的相互耦合，其幅值受磁场和声压共同影响。关键词：干式空心电抗器；噪声测量；传声器；电磁干扰Study on Interference of Noise Measurement of Drytype Aircore ReactorCHEN Shuo1，TIAN Jie1，LIANG Zhaojie1，SHU Ting2，GAO Lu2（1.Shenzhen Power Supply Co.，Ltd.，Guangzhou Shenzhen 518000，China；2.State Key Laboratory of Electrical Insulation andPower Equipment，Xi an Jiaotong University，Xi an 710049，China）Abstract:It is generally recognized that the noise spectrum of the drytype aircore reactor is the difference frequency and combined frequency between each frequency of harmonic current as well as double frequency of each harmonic,and the noise spectrum obtained by actual measurement and the result of present theory analysis is not in agreement.In this paper,a set of small dry type aircore reactor is taken as an example,the interference phenomenon inthe process of noise measurement is studied and the source of the interference is explained and analyzed in combination with electromagnetic induction theory.The study results show that in case of loading singlefrequency excitationcurrent for the drytype aircore reactor，the multiple interference components with integer frequency of current alsooccurs in addition to the noise component of current frequency doubled in the noise spectrum measured by the microphone.The singlefrequency interference component comes from the influence of the magnetic field on the microphone and its amplitude is proportional to the loading current.While,the multifrequency interference componentscome from the mutual coupling between the vibration of the microphone membrane and the magnetic field，and theiramplitudes are affected by both the magnetic field and the sound pressure.Key words:drytype aircore reactor；noise measurement；microphone；EMI第59卷第2期：014701522023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：01470152Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.020_收稿日期：20220715；修回日期：20220911基金项目：南方电网科技项目(0914002019030103YJZL00042)。Project Supported by Science and Technology Project of China Southern Power Grid(0914002019030103YJZL00042).0引言随着高压直流输电工程的日益发展，电力系统对于滤波电抗器的需求和谐波容量也随之升高。干式空心电抗器无铁心、电感值稳定，得到了大量应用。然后其在运行过程中带来的振动噪声也逐渐成为不可忽视的问题1-2。对干式空心电抗器的噪声进行准确的测量，是分析其噪声特性、研究减振降噪方法的基础。然而，实际测量得到的干式空心电抗器的噪声频谱与理论分析并不一致。因此，2023年2月第59卷第2期有必要对其噪声测量的干扰来源进行研究。目前，国内外的学者、生产厂家等对干式空心电抗器的噪声特性、噪声测量问题开展了大量的研究。文3-4对干式空心电抗器在电流激励下所受磁场力的频谱特征进行了分析，发现其在单频电流激励下，磁场力、振动及噪声的频率为电流频率的2倍；文5-6分别对葛洲坝换流站和肇庆换流站运行中的干式空心电抗器的噪声进行了测量，发现噪声水平在6580 dB左右，噪声分布频带较宽，中高频段频率成分丰富，并在低频部分存在明显的峰值。文7-8在实验室中对干式空心电抗器施加单频的电流激励，发现测得的噪声由多个频率分量组成，包含加载电流频率的基频、高次谐频成分和随机噪声成分等，但均认为这些频率分量是由实际的噪声产生的，未能对其中谐频成分是否来源于干扰开展进一步的研究。文中以一台小型的干式空心电抗器为例，通过几种典型的频谱异常的噪声实验结果指出了噪声测量中存在的干扰现象，设计了多组实验并结合理论推导对干扰的来源进行了解释和分析。1干式空心电抗器噪声的频率特性干式空心电抗器的基本结构见图11，主要由包封、星型架和支撑绝缘子组成。包封由多层线圈绕制并浸渍环氧固化而成，层与层之间留有气道用于自然对流散热；上下两端通过星型架固定，电流通过星型架上的接线端流入或流出线圈。图1干式空心电抗器结构示意图Fig.1Structure diagram of drytype aircore reactor包封作为干式空心电抗器的主体部分是噪声的主要辐射源。线圈中流过交变的电流时，会产生交变的磁场，通流导线在交变磁场的作用下会受到交变的磁场力作用，从而使得包封振动，进而辐射处噪声。磁场强度和电流大小成正比，结合安培定律，可得磁场力和电流的平方成正比，见式(1)FBII2(1)式(1)中：F为线圈所受磁场力；B为线圈中的磁感应强度；I为线圈中流过的电流。当加载频率为f1、初相位为1的单频电流i1(t)=I1sin(2f1t+1)时，根据式(2)，线圈所受的磁场力为F=Ki12(t)=KI1sin(2f1t+1)2=K2I121-cos(22f1t+21)(2)由式(2)可知，线圈所受磁场力的频率为激励电流频率的2倍。对于满足线性时不变假设的干式空心电抗器，电抗器包封振动的频率与辐射出噪声的频率都等于线圈所受磁场力的频率，即2倍的加载电流频率f1。类似地，当同时加载频率为f1和f2两个频率的谐波电流时，线圈所受的磁场力为F=Ki1(t)+i2(t)2=KI1sin(2f1t+1)+I2sin(2f2t+2)2=KI12sin2(2f1t+1)+KI22sin2(2f2t+2)+2KI1I2sin(2f1t+1)sin(2f2t+2)=KI2221-cos(22f1t+21)+KI2221-cos(22f2t+22)+KI1I2cos2(f1-f2)t+(1-2)-KI1I2cos2(f1+f2)t+(1+2)(3)如式(3)，磁场力的频谱中不仅包含了激励电流的二倍频分量2f1和2f2，也包含了激励电流频率的和频f1+f2和差频f1-f2。当干式空心电抗器同时流过更多频率的谐波电流时，振动和噪声的频谱将会更加复杂3，9，除了各个电流频率的二倍频外，还将包括各个电流的和频和差频，频率数量最多可达到电流频率数量的平方。由此确定了干式空心电抗器加载电流的频率与其振动和噪声频率之间的关系。2干式空心电抗器噪声测量平台干式空心电抗器的噪声测量平台见图2，主要包括：谐波加载系统、半消声室、自由场声压传感器及噪声采集分析系统。变频谐波电源的输出电压为0340 V，输出功率为180 kVA，输出频率为502 500 Hz，通过干式中频变压器加载到被试干式空心电抗器上。为了提高谐波电源的加载能力，满足不同实验、不同被试设备的加载要求，可以通过更改绕组串并联的构成来改变变压器总的电压变比，148从而模拟多种滤波电抗器的运行工况。噪声实验时，将被试干式空心电抗器和传声器放置在半消声室中，见图2，其他人员操作以及谐波加载系统、噪声采集分析系统等均在半消声室外的实验室，防止产生其他外界噪声影响测量结果。图2干式空心电抗器噪声测量实验平台Fig.2Experimental facilities for noise measurement ofthe drytype aircore reactor半消声室作为声学测试的一种重要的实验室，也是声压法进行噪声测试系统的重要组成部分，消声室能够为声学测量提供一个自由场或半自由场空间，其声学性能指标会直接影响声学试验和声学测量的准确性。在半消声室中，房间仅在顶部和4个墙面安装吸声尖劈，而地面做成坚硬光滑的声反射面。具有强吸声能力的吸声尖劈是保证半消声室获得良好的自由场性能的关键。噪声声波传到尖劈结构时，声波在多孔性材料的空气隙中振动，其振动能量通过摩擦转化为热能被消耗。因此，半消声室中传声器测得的声压级只是由电抗器振动所发出的直达声，而既无反射声又无外界噪声的干扰，半消声室的具体参数见表1。在半消声室中，干式空心电抗器辐射出的噪声通常会大于背景噪声11 dB，辐射出的噪声频率大于等于100 Hz，在1.3 m自由声场半径范围内，对电抗器进行噪声测量均可满足测量要求。表1半消声室的声学参数Table 1Acoustic parameters of thehemianechoic chamber参数空间尺寸/m截止频率/Hz背景噪声/dB(A)自由声场半径/m数值4.54.53.2100111.3噪声测量用的传声器是40PP型号预极化电容式自由场传声器，采用驻极体材料制成制作振膜或固定电极，也称为驻极体传声器，无需外加极化电压，见图3。该传声器具有频率响应宽而平坦、灵敏度高、动态范围大等特点，具体参数见表2。图3G.R.A.S.40PP电容式传声器Fig.3G.R.A.S.40PP co